Кредитна снимка: Бъркли
Тъмната материя е невидим ореол от материал, който сякаш заобикаля всяка галактика. Досега астрономите вярваха, че тъмната материя вероятно образува равномерна мъгла от космически частици, но изследователи от UC Berkeley и MIT създадоха компютърна симулация как тъмната материя може да се сглоби в по-големи парчета материал.
„Тъмната материя“, която се състои от все още неоткрита една четвърт от Вселената, не е равномерна космическа мъгла, казва Университетът на Калифорния, Бъркли, астрофизик, но вместо това образува плътни буци, които се движат като прашни мотове, танцуващи в вал от светлина.
В статия, представена тази седмица пред Physical Review D, Чунг-Пей Ма, доцент по астрономия в UC Berkeley, и Edmund Bertschinger от Масачузетския технологичен институт (MIT), доказват, че движението на бучките на тъмната материя може да се моделира в по начин, подобен на броуновското движение на прах или цветен прашец.
Техните открития трябва да предоставят на астрофизиците нов начин да изчислят еволюцията на тази призрачна вселена на тъмната материя и да я приведат в съответствие с наблюдаваната вселена, каза Ма.
Тъмната материя е мъчителен проблем за астрономията повече от 30 години. Звездите в галактиките и галактиките в клъстерите се движат по начин, който показва, че там има повече материя, отколкото можем да видим. Изглежда, че тази невидима материя е в сферичен ореол, който се простира вероятно 10 пъти по-далеч от видимия звезден ореол около галактиките. Ранните предложения, според които невидимата материя се състои от изгорели звезди или тежки неутрино, не са изчезнали и настоящите любими кандидати са екзотични частици, наречени най-различни неутрилинози, аксиони или други хипотетични свръхсиметрични частици. Тъй като тези екзотични частици взаимодействат с обикновената материя само чрез гравитация, а не чрез електромагнитни вълни, те не излъчват светлина.
"Ние виждаме само половината от всички частици", каза Ма. „Те са прекалено тежки, за да се произвеждат сега в ускорители, така че половината от света, за който не знаем.“
Картината се влоши едва преди четири години, когато „тъмната енергия“ беше дори по-разпространена от тъмната материя. Космическата сметка сега приковава тъмна енергия в около 69 процента от Вселената, екзотична тъмна материя на 27 процента, светска тъмна материя - тъмна, невидими звезди - на 3 процента, и това, което всъщност виждаме само на 1 процент.
Въз основа на компютърните модели за това как тъмната материя ще се движи под силата на гравитацията, Ма каза, че тъмната материя не е равномерна мъгла, обгръщаща струпвания от галактики. Вместо това тъмната материя образува по-малки буци, които изглеждат повърхностно като галактиките и кълбовидните клъстери, които виждаме в светещата ни вселена. Тъмната материя има динамичен живот, независим от светещата материя, каза тя.
"Космическият микровълнов фон показва ранните ефекти на струпването на тъмната материя и тези бучки растат при гравитационно привличане", каза тя. „Но всяка една от тези бучки, ореолът около галактическите струпвания, се смяташе за гладка. Хората бяха заинтригувани да открият, че симулациите с висока разделителна способност показват, че не са гладки, а вместо това имат сложни подструктури. Тъмният свят има собствен динамичен живот. "
Ма, Бертшингер и аспирантът от UC Berkeley Майкъл Бойлан-Колчин сами извършиха някои от тези симулации. Няколко други групи през последните две години също демонстрират подобна група.
Призрачната вселена на тъмната материя е шаблон за видимата вселена, каза тя. Тъмната материя е 25 пъти по-обилна от обикновената видима материя, така че видимата материя трябва да се струпва навсякъде, където тъмната материя се струпва.
В това се крие проблемът, каза Ма. Компютърните симулации на еволюцията на тъмната материя предсказват много повече бучки тъмна материя в даден регион, отколкото има бучки светеща материя, които можем да видим. Ако светещата материя следва тъмна материя, трябва да има почти еквивалентни числа от всяка.
"Нашата галактика Млечният път има около дузина спътници, но в симулации виждаме хиляди спътници от тъмна материя", каза тя. „Тъмната материя в Млечния път е динамична, оживена среда, в която хиляди по-малки спътници от тъмни вещества се реят около голям ореол на тъмната материя, непрекъснато взаимодействащи и смущаващи една друга.“
В допълнение, астрофизиците, моделиращи движението на тъмната материя, бяха озадачени, за да видят, че всеки бутон има плътност, която достига върха си в центъра и пада по ръбовете по абсолютно същия начин, независимо от размера му. Този универсален профил на плътност обаче изглежда е в конфликт с наблюденията на някои галактики джудже, направени от колегата на Ма, професора по астрономия от УК Беркли Лео Блиц и неговата изследователска група.
Ма се надява, че нов начин на гледане на движението на тъмната материя ще разреши тези проблеми и теорията на квадратите с наблюдение. В статията си за физически преглед, обсъдена на среща по-рано тази година на Американското физическо общество, тя доказа, че движението на тъмната материя може да бъде моделирано подобно на движението на Браун, което ботаникът Робърт Браун описа през 1828 г. и Алберт Айнщайн обясни в семинар 1905 г. хартия, която му помогна да го спечели през 1921 г. Нобелова награда по физика.
Броуновското движение за първи път е описано като зигзагообразната пътека, измината от зърно цветен прашец, плаващ във вода, тласкан от молекули вода, сблъскващи се с него. Явлението се отнася еднакво до движението на прах във въздуха и плътните бучки тъмна материя във вселената на тъмната материя, каза Ма.
Това прозрение „нека използваме различен език, различна гледна точка от стандартната гледна точка“, за да изследваме движението и еволюцията на тъмната материя, каза тя.
Други астрономи, като професорът по астрономия на UC Berkeley emeritus Иван Кинг, са използвали теорията за движението на Браун, за да моделират движението на стотици хиляди звезди в звездни клъстери, но това, по думите на Ма, „е първият път, когато се прилага строго към големи космологични мащаби. Идеята е, че не ни интересува точно къде са бучките, а по-скоро как групичките се държат статистически в системата, как се разпръскват гравитационно. "
Ма отбеляза, че броуновското движение на бучки се управлява от уравнение, уравнението на Фоккер-Планк, което се използва за моделиране на много стохастични или случайни процеси, включително на фондовата борса. В момента Ма и сътрудниците работят по решаването на това уравнение за космологичната тъмна материя.
„Учудващо и възхитително е, че еволюцията на тъмната материя, еволюцията на бучките се подчинява на просто, 90-годишно уравнение“, каза тя.
Работата беше подкрепена от Националната администрация по аеронавтика и космическа дейност.
Оригинален източник: UC Berkeley
